地铁供电系统的谐波与无功综合治理

摘 要：地铁直流供电系统大量投入使用整流机组、变频设备、电缆线路以及配备的非线性电力电子装置，使得地铁供电系统谐波含量丰富、容性电流大、无功倒送、等一系列谐波和无功问题。采取谐波和无功综合治理的措施可以保证地铁供电质量，确保地铁的安全运行。综合治理遵循抑制谐波为主，无功补偿为辅的原则。

关键词：地铁供电；谐波；无功；治理

一、地铁的供电系统

地铁供电系统的作用是向地铁列车和用电设备提供电能，是地铁的重要组成部分和动力来源。地铁的供电系统可以分为外部供电系统和内部供电系统。外部供电系统即地铁的一次高压电源系统，通过主变电所连接城市电网，可采用集中式、分散式和混合式三种方式供电。[1]地铁的内部供电系统则包含牵引供电系统和动力照明系统。其中，牵引供电系统是地铁供电系统的核心，由牵引变电所和接触网组成，用于牵引地铁机车；动力照明系统负责给区间、车站内的各类照明设施和动力设备、通信设备及自动化设备提供电能。地铁供电系统的结构如图1所示。

当前，国内城市地铁大多采用110/35kV的两级电压集中供电方式。这种供电方式主要由外部电源、主变电所、中压环网、牵引变电所和降压变电所构成。每个主变电所从城市电网引入2路110kV电源互为备用，降压至地铁所需的35kV中压系统，然后通过中压环网向牵引变电所和降压变电所供电。中压环网采用分区供电，几个相邻的牵引变电所通过串接的方式构成一个供电分区。主变电所向每个供电分区的一个变电所供电，分区的其他变电所则通过串接的方式获得电源。各个牵引变电所之间通过交流电缆连接，这样就构成了地铁的集中供电系统，如图2所示。

二、地铁供电系统的谐波

地铁供电系统的谐波主要来源于两方面：一是牵引变电所内的整流机组，二是含有变频设备的动力照明负荷。

牵引变电所是地铁供电系统的核心部分。在牵引变电所内，35kV的三相高压交流电经降压、整流之后输出1500V或750V的低压直流电，向牵引机车供电。整流机组是牵引变电所的关键设备，一般采用多脉冲整流电路来实现。目前，三相桥式整流电路构成的12脉波整流电路和等效24脉波整流电路被广泛使用。在运行过程中，整流机组会产生11、13、23、25次谐波。整流机组是地铁供电系统最主要的谐波源。

地铁的动力照明负荷主要包括照明荧光灯、空调、自动扶梯、风机、水泵、消防设备等，这些设备大多属于非线性设备，必然会对电网造成谐波影响。动力照明负荷主要产生5、7次谐波。[2]

高次谐波电流通过变压器时，变压器铁芯损耗明显增大出现过热，导致变压器的效率降低，寿命缩短；谐波电压加至电容器两端时，由于电容对高次谐波呈现零阻抗，使得电容器过负荷导致损坏；谐波在供电系统内流窜、叠加甚至放大的过程中，会使得电缆的情况下内耗、发热大幅增加而严重缩短其使用年限；高次谐波的干扰还会导致空气开关的误动作，引起大面积停电，影响地铁设备的正常工作和运营。谐波污染不仅会对地铁造成一定的影响，还会影响其他企业和居民的用电质量。

三、地铁供电系统的无功功率

地铁供电系统的无功功率主要来源于机车牵引负荷、变压器、电缆线路和动力照明负荷。由于机车采用直流供电，牵引负荷的功率因数较高，一般能达到0.95以上；动力负荷的功率因数最低，一般为0.75左右；照明负荷的功率因数0.8左右。因为动力照明负荷的负载持续率各不相同，比较难以控制和补偿。

机车牵引供电系统中的电机、变压器和较长供电线路在运行中需要消耗无功功率，产生大量的感性无功损耗。由于地铁系统的特殊性，大量使用的高低压电缆则会向电网提供容性无功功率。

由于地铁运行的特点，白天的用电负荷比夜间停运的用电负荷大得多。白天牵引机车和一些辅助用电设备（如照明、风机、水泵等）会消耗一部分电缆的无功功率，在没有无功补偿的情况下总体功率因数较高。夜间地铁停运，风机照明等设备停止工作，只有变压器消耗少量无功，感性负荷输出减少，电缆的充电无功效应明显，会出现无功倒送现象，导致夜间功率因数大大下降，只有0.4左右。这不仅造成大量电能的浪费，而且容性无功功率还会使得供电端电压升高，对电缆和供电设备产生危害。

四、地铁供电系统谐波和无功的综合治理

鉴于地铁供电系统的谐波更具危害性，综合治理应遵循以抑制谐波为主，无功补偿为辅的原则。

目前我国地铁供电系统的谐波无功治理主要采用在车站降压变电所0.4kV侧设置固定式无功补偿装置，即无源滤波器。无源滤波器通过对电感、电阻和电容的组合设计构成LC滤波电路，可以滤除系统中特定的高次谐波，同时它在与无功负载并联使用的过程中还起到无功补偿的作用。[3]

对于地铁供电系统，白天和夜晚的用电负荷差别较大。系统的无功功率变化时，无源滤波器无法实现动态补偿，并且一种参数只能补偿特定次数的谐波，当电力系统阻抗发生变化时甚至有可能引发谐振，对于控制供电系统的总功率因数效果也不大。在实际运行中，仅用无源滤波器无法满足国家规范的要求。近年来，有源滤波技术开始规模化应用。

有源滤波器是一种兼有动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，主要由谐波信号的检测和补偿两部分组成，通过对电网中的谐波进行采样分析，可控制功率逆变器产生与之成分相等、方向相反的谐波电流注入电网从而对它能够对频率和幅值都发生变化的谐波和无功进行补偿，具有更好的补偿特性。有源滤波器可以并联在变电所0.4kV侧母线处，实现谐波与无功的综合治理作用。

今后，随着技术的发展，在谐波源处设置谐波与无功的综合治理设备，可使得治理措施更具目标性和针对性，保证地铁电网的可靠性，确保地铁的安全运行。

参考文献：

[1]王鸿.地铁供电系统可靠性分析[J].技术与市场，2012，19（07）：57-58.

[2]孙才勤.地铁供电系统谐波无功功率的综合治理方案[J].电气化铁道，2009（05）：40-43.

[3]李建民.城市轨道交通供电系统概论[M].北京：机械工业出版社，2015：185-214.

作者簡介：王睿（1973-），女，汉族，河南鹿邑人，本科，讲师，研究方向：铁道供电。